11.4: umumunyifu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza madhara ya joto na shinikizo juu ya umumunyifu
• Hali ya sheria Henry na matumizi yake katika mahesabu kuwashirikisha umumunyifu wa gesi katika kioevu
• Eleza digrii za umumunyifu iwezekanavyo kwa ufumbuzi wa kioevu-kioevu

Fikiria kuongeza kiasi kidogo cha sukari kwenye kioo cha maji, kuchochea mpaka sukari yote imekwisha kufutwa, na kisha kuongeza kidogo zaidi. Unaweza kurudia mchakato huu mpaka mkusanyiko wa sukari ya suluhisho kufikia kikomo chake cha asili, kikomo kilichowekwa hasa na uwezo wa jamaa wa solute-solute, soluti-solvent, na kutengenezea nguvu za kuvutia zilizojadiliwa katika modules mbili zilizopita za sura hii. Unaweza kuwa na hakika kwamba umefikia kikomo hiki kwa sababu, bila kujali muda gani unasumbua suluhisho, sukari isiyofanywa bado. Mkusanyiko wa sukari katika suluhisho katika hatua hii inajulikana kama umumunyifu wake.

Umumunyifu wa solute katika kutengenezea fulani ni mkusanyiko wa kiwango cha juu ambacho kinaweza kupatikana chini ya hali iliyotolewa wakati mchakato wa kufutwa ni katika usawa.

Wakati mkusanyiko wa solute ni sawa na umumunyifu wake, suluhisho inasemekana kuwa imejaa na solute hiyo. Ikiwa mkusanyiko wa solute ni chini ya umumunyifu wake, suluhisho inasemekana kuwa haijatumiwa. Suluhisho ambalo lina mkusanyiko mdogo wa solute huitwa kuondokana, na moja yenye ukolezi wa juu huitwa kujilimbikizia.

Unganisha na Kujifunza

Tumia simulation hii ya maingiliano ili kuandaa ufumbuzi mbalimbali ulijaa.

Ufumbuzi unaweza kuwa tayari ambapo mkusanyiko wa solute unazidi umumunyifu wake. Ufumbuzi huo unasemekana kuwa supersaturated, na ni mifano ya kuvutia ya majimbo yasiyo ya usawa (matibabu ya kina ya dhana hii muhimu hutolewa katika sura za maandishi juu ya usawa). Kwa mfano, kinywaji cha kaboni katika chombo kilicho wazi ambacho bado hakijawahi “gorofa” kina supersaturated na gesi ya dioksidi kaboni; wakati uliopewa, mkusanyiko wa CO ₂ utapungua hadi kufikia umumunyifu wake.

Unganisha na Kujifunza

Tazama video hii ya kushangaza inayoonyesha mvua ya acetate ya sodiamu kutoka suluhisho la supersaturated.

Ufumbuzi wa Gesi katika Liquids

Kwa suluhisho lolote, umumunyifu wa gesi katika kioevu huathiriwa na vikosi vya kuvutia vya intermolecular kati ya aina za solute na kutengenezea. Tofauti na solutes imara na kioevu, hata hivyo, hakuna solute-solute intermolecular kivutio kushinda wakati solute gesi dissolves katika kutengenezea kioevu (angalia Kielelezo 11.4) tangu atomi au molekuli inahusu gesi ni mbali kutengwa na uzoefu mwingiliano kidogo. Kwa hiyo, mwingiliano wa soluti-kutengenezea ni sababu pekee ya juhudi inayoathiri umumunyifu. Kwa mfano, umumunyifu wa maji wa oksijeni ni takriban mara tatu zaidi kuliko ile ya heliamu (kuna vikosi vingi vya utawanyiko kati ya maji na molekuli kubwa za oksijeni) lakini mara 100 chini ya umumunyifu wa chloromethane, ChCl ₃ (molekuli polar chloromethani uzoefu dipole— dipole kivutio kwa molekuli Polar maji). Vivyo hivyo kumbuka umumunyifu wa oksijeni katika hexane, C ₆ H ₁₄, ni takriban mara 20 zaidi kuliko ilivyo katika maji kwa sababu vikosi vingi vya utawanyiko zipo kati ya oksijeni na molekuli kubwa za hexane.

Joto ni sababu nyingine inayoathiri umumunyifu, na umumunyifu wa gesi kawaida hupungua kama ongezeko la joto (Kielelezo 11.8). Uhusiano huu wa kinyume kati ya joto na mkusanyiko wa gesi iliyovunjwa ni wajibu wa mojawapo ya athari kubwa za uchafuzi wa joto katika maji ya asili.

Kielelezo 11.8 Umumunyifu wa gesi hizi katika maji hupungua kama joto linavyoongezeka. Umumunyifu wote ulipimwa na shinikizo la mara kwa mara la 101.3 kPa (1 atm) ya gesi juu ya ufumbuzi.

Wakati joto la mto, ziwa, au mkondo unapofufuliwa, umumunyifu wa oksijeni ndani ya maji umepungua. Kupungua kwa viwango vya oksijeni kufutwa inaweza kuwa na madhara makubwa kwa afya ya mazingira ya maji na, katika hali mbaya, inaweza kusababisha kuua samaki kwa kiasi kikubwa (Kielelezo 11.9).

Kielelezo 11.9 (a) Bubbles ndogo za hewa katika glasi hii ya maji ya chilled sumu wakati maji moto kwa joto la kawaida na umumunyifu wa hewa yake kufutwa ilipungua. (b) Kupungua kwa umumunyifu wa oksijeni katika maji ya asili yaliyotokana na uchafuzi wa joto unaweza kusababisha uharibifu mkubwa wa samaki. (mikopo a: muundo wa kazi na Liz West; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Marekani Samaki na Wanyamapori Huduma)

Umumunyifu wa solute ya gesi pia huathiriwa na shinikizo la sehemu ya solute katika gesi ambayo suluhisho linafunuliwa. Umumunyifu wa gesi huongezeka kadiri shinikizo la gesi linavyoongezeka. Vinywaji vya kaboni hutoa mfano mzuri wa uhusiano huu. Mchakato wa kaboni unahusisha kufichua kinywaji kwa shinikizo la juu kiasi cha gesi ya dioksidi kaboni na kisha kuziba chombo cha kinywaji, hivyo kueneza kinywaji na CO ₂ kwa shinikizo hili. Wakati chombo kinywaji ni kufunguliwa, hiss ukoo ni habari kama carbon dioxide gesi shinikizo ni huru, na baadhi ya dioksidi kaboni kufutwa ni kawaida kuonekana kuacha ufumbuzi katika mfumo wa Bubbles ndogo (Kielelezo 11.10). Katika hatua hii, kinywaji ni supersaturated na dioksidi kaboni na, baada ya muda, kufutwa kaboni dioksidi mkusanyiko itapungua kwa thamani yake ya usawa na kinywaji itakuwa “gorofa.”

Kielelezo 11.10 Kufungua chupa ya kinywaji cha kaboni hupunguza shinikizo la dioksidi kaboni ya gesi juu ya kinywaji. Umumunyifu wa CO ₂ hupungua, na baadhi ya dioksidi kaboni iliyoharibika inaweza kuonekana ikiacha suluhisho kama Bubbles ndogo za gesi. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Derrick Coetzee)

Kwa solutes nyingi za gesi, uhusiano kati ya umumunyifu, C _g, na shinikizo la sehemu, P _g, ni sawa sawa:

$$C_{\text{g}}=k{P}_{\text{g}}$$

ambapo k ni mara kwa mara uwiano ambayo inategemea utambulisho wa solute ya gesi, utambulisho wa kutengenezea, na joto la suluhisho. Hii ni taarifa ya hisabati ya sheria ya Henry: Kiasi cha gesi bora ambayo hupasuka kwa kiasi kikubwa cha kioevu ni sawa sawa na shinikizo la gesi.

Mfano 11.1

Matumizi ya Sheria ya Henry

Katika 20 °C, mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa katika maji iliyo wazi kwa oksijeni ya gesi kwenye shinikizo la sehemu ya 101.3 kPa ni 1.38$\times$10 ^—3 mol ^{L -1}. Tumia sheria ya Henry kuamua umumunyifu wa oksijeni wakati shinikizo lake la sehemu ni 20.7 kPa, shinikizo la takriban la oksijeni katika anga ya dunia.

Suluhisho

Kwa mujibu wa sheria ya Henry, kwa suluhisho bora umumunyifu, C _g, wa gesi (1.38$\times$10 ^-3 mol L ^-1, katika kesi hii) ni sawia moja kwa moja na shinikizo, P _g, ya gesi isiyofutwa juu ya suluhisho (101.3 kPa katika kesi hii). Kwa sababu C _g na P _g hujulikana, uhusiano huu unaweza kupangwa upya na kutumika kutatua kwa k.

$$\begin{array}{ccc}\hfill C_{\text{g}}& =& k{P}_{\text{g}}\hfill \\ \hfill k& =& \frac{C_{\text{g}}}{P_{\text{g}}}\hfill \\ & =& \frac{1.38\times {10}^{\mathrm{1-3}}\text{mol}{\text{L}}^{-1}}{101.3\text{kPa}}\hfill \\ & =& 1.36\times {10}^{-5}\text{mol}{\text{L}}^{-1}{\text{kPa}}^{-1}\hfill \end{array}$$

Sasa, tumia k ili kupata umumunyifu kwenye shinikizo la chini.

$$\begin{array}{cccc}& \hfill C_{\text{g}}& =& k{P}_{\text{g}}\hfill \\ & & & 1.36\times {10}^{-5}\text{mol}{\text{L}}^{-1}{\text{kPa}}^{-1}\times 20.7\text{kPa}\hfill \\ & & =& 2.82\times {10}^{-4}\text{mol}{\text{L}}^{-1}\hfill \end{array}$$

Kumbuka kwamba vitengo mbalimbali inaweza kutumika kueleza kiasi kushiriki katika aina hizi za hesabu. Mchanganyiko wowote wa vitengo vinavyotokana na vikwazo vya uchambuzi wa mwelekeo ni kukubalika.

Angalia Kujifunza Yako

Kufichua sampuli ya 100.0 mL ya maji kwenye 0 °C kwa angahewa iliyo na mumunyifu wa gesi kwenye torr 152 ilisababisha kuvunjwa kwa 1.45$\times$10 ^-3 g ya solute. Tumia sheria ya Henry kuamua umumunyifu wa solute hii ya gesi wakati shinikizo lake ni 760 torr.

Jibu:

7.25$\times$10 ^-3 katika 100.0 ml au 0.0725 g/L

Mfano 11.2

Uchafuzi wa joto na Umumunyifu wa

Aina fulani ya trout ya maji safi inahitaji mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa ya 7.5 mg/L Je samaki hawa wanaweza kustawi katika mkondo wa mlima unaojisi joto (joto la maji ni 30.0 °C, shinikizo la sehemu ya oksijeni ya anga ni 0.17 atm)? Tumia data katika Kielelezo 11.8 ili kukadiria thamani ya sheria ya Henry mara kwa mara katika joto hili.

Suluhisho

Kwanza, makisio ya sheria ya Henry mara kwa mara kwa oksijeni katika maji kwenye joto maalum la 30.0 °C (Kielelezo 11.8 kinaonyesha umumunyifu kwenye joto hili ni takriban ~1.2 mol/L).

$$k=\frac{C_{\text{g}}}{P_{\text{g}}}=1.2\times {10}^{\mathrm{1-3}}\text{Mol/L/1.00 atm}=1.2\times {10}^{\mathrm{1-3}}\text{mol/l atm}$$

Kisha, tumia thamani hii k ili kukokotoa umumunyifu wa oksijeni kwenye shinikizo la sehemu ya oksijeni, 0.17 atm.

$$C_g={kP}_g=(1.2\times {10}^{\mathrm{1-3}}\text{mol/l atm})(0.17\text{atm})=2.0\times {10}^{-4}\text{mol/l}$$

Hatimaye, kubadilisha hii kufutwa oksijeni mkusanyiko kutoka mol/L kwa mg/L.

$$(2.0\times {10}^{-4}\text{mol/l})(32.0\text{g/1 mol})(1000\text{mg/g})=6.4\text{mg/L}.$$

Mkusanyiko huu ni mdogo kuliko thamani ya chini inayohitajika ya 7.5 mg/L, na hivyo trout hizi zinaweza kustawi katika mkondo unaojisi.

Angalia Kujifunza Yako

Ni mkusanyiko gani wa oksijeni iliyoyeyushwa unatarajiwa kwa mkondo hapo juu unaporudi kwenye joto la kawaida la majira ya joto la 15 °C?

Jibu:

8.2 mg/L

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Ugonjwa wa decompression au “Bends”

Ugonjwa wa decompression (DCS), au “bends,” ni athari ya shinikizo la kuongezeka kwa hewa iliyovutwa na scuba mbalimbali wakati wa kuogelea chini ya maji kwa kina kirefu. Mbali na shinikizo linalofanywa na anga, aina mbalimbali zinakabiliwa na shinikizo la ziada kutokana na maji juu yao, na kuongezeka kwa takriban 1 atm kwa kila m 10 ya kina. Kwa hiyo, hewa inhaled na diver wakati iliyokuwa ina gesi katika sambamba shinikizo la juu iliyoko, na viwango vya gesi kufutwa katika damu ya diver ni proportionally juu kwa sheria ya Henry.

Kama diver inapanda juu ya uso wa maji, shinikizo la kawaida hupungua na gesi zilizovunjika huwa chini ya mumunyifu. Ikiwa kupanda ni haraka mno, gesi zinazokimbia kutoka damu ya diver zinaweza kutengeneza Bubbles ambazo zinaweza kusababisha dalili mbalimbali kuanzia vipele na maumivu ya pamoja hadi kupooza na kifo. Ili kuepuka DCS, aina mbalimbali zinapaswa kupaa kutoka kwa kina kwa kasi ya polepole (10 au 20 m/min) au vinginevyo kufanya vituo kadhaa vya decompression, kuacha kwa dakika kadhaa kwa kina kilichopewa wakati wa kupanda. Wakati hatua hizi za kuzuia hazifanikiwa, mara nyingi mbalimbali na DCS hutolewa tiba ya oksijeni ya hyperbaric katika vyombo vya shinikizo vinavyoitwa decompression (au recompression) vyumba (Kielelezo 11.11). Watafiti pia kuchunguza athari kuhusiana mwili na ulinzi ili kuendeleza kupima bora na matibabu kwa sicknetss decompression. Kwa mfano, Ingrid Eftedal, mtaalamu wa barophysiologist maalumu kwa athari za mwili kwa kupiga mbizi, ameonyesha kuwa seli nyeupe za damu hupata mabadiliko ya kemikali na maumbile kutokana na hali hiyo; hizi zinaweza kutumiwa kutengeneza vipimo vya biomarker na mbinu zingine za kusimamia ugonjwa wa decompression.

Kielelezo 11.11 (a) Marekani Navy mbalimbali wanapata mafunzo katika chumba recompression. (b) Wengi hupokea tiba ya oksijeni ya hyperbaric.

Mapungufu kutoka kwa sheria ya Henry huzingatiwa wakati mmenyuko wa kemikali unafanyika kati ya solute ya gesi na kutengenezea. Hivyo, kwa mfano, umumunyifu wa amonia katika maji huongezeka kwa kasi zaidi na shinikizo la kuongezeka kuliko ilivyotabiriwa na sheria kwa sababu amonia, kuwa msingi, humenyuka kwa kiasi fulani na maji ili kuunda ioni za amonia na ioni za hidroksidi.

Gesi zinaweza kuunda ufumbuzi wa supersaturated. Ikiwa suluhisho la gesi katika kioevu linatayarishwa ama kwa joto la chini au chini ya shinikizo (au vyote viwili), basi kama suluhisho linapungua au kama shinikizo la gesi limepunguzwa, suluhisho linaweza kuwa supersaturated. Mwaka 1986, watu zaidi ya 1700 nchini Cameroon waliuawa wakati wingu la gesi, karibu na kaboni dioksidi, lilipigwa kutoka Ziwa Nyos (Kielelezo 11.12), ziwa la kina katika volkeno la volkeno. Maji yaliyo chini ya Ziwa Nyos yanajaa dioksidi kaboni kwa shughuli za volkeno chini ya ziwa. Inaaminika kuwa ziwa lilipata mauzo kutokana na joto la polepole kutoka chini ya ziwa, na maji ya joto, chini ya mnene yaliyojaa dioksidi kaboni yalifikia uso. Kwa hiyo, kiasi kikubwa cha CO ₂ kilichopasuka kilitolewa, na gesi isiyo na rangi, ambayo ni denser kuliko hewa, ikatiririka chini ya bonde chini ya ziwa na kuvumilia wanadamu na wanyama wanaoishi bonde.

Kielelezo 11.12 (a) Inaaminika kuwa maafa ya 1986 ambayo yaliua watu zaidi ya 1700 karibu na Ziwa Nyos nchini Cameroon ilisababisha wakati kiasi kikubwa cha gesi ya dioksidi kaboni ilitolewa kutoka ziwa. (b) CO ₂ vent tangu imewekwa ili kusaidia outgas ziwa katika polepole, kudhibitiwa mtindo na kuzuia janga kama hilo kutokea katika siku zijazo. (mikopo a: muundo wa kazi na Jack Lockwood; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Bill Evans)

Ufumbuzi wa Liquids katika Liquids

Baadhi ya vinywaji vinaweza kuchanganywa kwa idadi yoyote ili kutoa ufumbuzi; kwa maneno mengine, wana umumunyifu usio na kipimo na wanasemekana kuwa miscible. Ethanol, asidi sulfuriki, na ethylene glikoli (maarufu kwa matumizi kama antifreeze, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 11.13) ni mifano ya vinywaji ambavyo vinasumbuliwa kabisa na maji. Mafuta mawili ya mzunguko wa mafuta yanatumiwa na petroli, mchanganyiko ambao hutumiwa kama mafuta ya kulainisha kwa aina mbalimbali za vifaa vya nje vya nguvu (chainsaws, blowers ya majani, na kadhalika).

Kielelezo 11.13 Maji na antifreeze ni miscible; mchanganyiko wa mbili ni sawa katika idadi zote. (mikopo: “dno1967” /Wikimedia commons)

Vinywaji miscible ni kawaida wale walio na polarities sawa sana. Fikiria, kwa mfano, vinywaji ambavyo ni polar au vinavyoweza kuunganisha hidrojeni. Kwa vinywaji vile, vivutio vya dipole-dipole (au bonding hidrojeni) ya molekuli za solute na molekuli za kutengenezea ni angalau kama nguvu kama zile kati ya molekuli katika solute safi au katika kutengenezea safi. Hivyo, aina mbili za molekuli huchanganya kwa urahisi. Vivyo hivyo, majimaji yasiyo ya polar ni miscible na kila mmoja kwa sababu hakuna tofauti appreciable katika nguvu ya solute-solute, kutengenezea kutengenezea, na solvent-solvent vivutio intermolecular. Umumunyifu wa molekuli za polar katika vimumunyisho vya polar na molekuli zisizo za polar katika vimumunyisho vya nonpolar ni, tena, mfano wa axiom ya kemikali “kama hupasuka kama.”

Maji mawili ambayo hayachanganyiki kwa kiwango cha thamani huitwa immiscible. Vipande tofauti vinaundwa wakati maji yasiyotumiwa yanamwagika kwenye chombo hicho. Petroli, mafuta (Kielelezo 11.14), benzini, tetrakloridi ya kaboni, rangi fulani, na vinywaji vingine vingi vya nonpolar havikubaliki na maji. Vikosi vya kuvutia dhaifu kati ya molekuli za maji ya polar na molekuli zisizo za polar za kioevu hazitoshi kushinda uhusiano mkubwa wa hidrojeni kati ya molekuli za maji Tofauti kati ya immiscibility na miscibility ni kweli moja ya kiwango, ili majimaji miscible ni ya umumunyifu usio kuheshimiana, wakati majimaji alisema kuwa immiscible ni ya chini sana (ingawa si sifuri) umumunyifu kuheshimiana.

Kielelezo 11.14 Maji na mafuta havikubaliki. Mchanganyiko wa vitu hivi viwili utaunda tabaka mbili tofauti na mafuta yasiyo ya chini yaliyo juu ya maji. (mikopo: “Yorts” /Flickr)

Vinywaji viwili, kama vile bromini na maji, ambavyo ni vya umumunyifu wa wastani wa pamoja vinasemekana kuwa sehemu ya miscible. Vipande viwili vya miscible kwa kawaida huunda tabaka mbili wakati vikichanganywa. Katika kesi ya mchanganyiko wa bromini na maji, safu ya juu ni maji, imejaa bromini, na safu ya chini ni bromini iliyojaa maji. Kwa kuwa bromini ni nonpolar, na hivyo, si mumunyifu sana katika maji, safu ya maji ni kidogo tu kupasuka na bromini mkali machungwa kufutwa ndani yake. Kwa kuwa umumunyifu wa maji katika bromini ni mdogo sana, hakuna athari inayoonekana kwenye rangi ya giza ya safu ya bromini (Mchoro 11.15).

Kielelezo 11.15 Bromine (kioevu kirefu cha machungwa upande wa kushoto) na maji (kioevu wazi katikati) ni sehemu ya miscible. Safu ya juu katika mchanganyiko upande wa kulia ni suluhisho lililojaa la bromini katika maji; safu ya chini ni suluhisho la maji iliyojaa katika bromini. (mikopo: Paul Maua)

Ufumbuzi wa Solids katika Liquids

Utegemezi wa umumunyifu juu ya joto kwa idadi ya yabisi katika maji huonyeshwa na curves umumunyifu katika Kielelezo 11.16. Kupitia data hizi inaonyesha mwenendo wa jumla wa kuongezeka kwa umumunyifu na joto, ingawa kuna tofauti, kama inavyoonyeshwa na kiwanja cha ionic cha cerium sulfate.

Kielelezo 11.16 Grafu hii inaonyesha jinsi umumunyifu wa yabisi kadhaa hubadilika na joto.

Utegemezi wa joto wa umumunyifu unaweza kutumiwa ili kuandaa ufumbuzi wa supersaturated wa misombo fulani. Suluhisho linaweza kujazwa na kiwanja kwenye joto la juu (ambapo solute ni mumunyifu zaidi) na hatimaye kilichopozwa kwenye joto la chini bila kuimarisha solute. Suluhisho la matokeo lina solute katika mkusanyiko mkubwa kuliko umumunyifu wake wa usawa kwenye joto la chini (yaani, ni supersaturated) na ni imara. Upepo wa solute ya ziada unaweza kuanzishwa kwa kuongeza kioo cha mbegu (angalia video katika Kiungo cha Kujifunza mapema katika moduli hii) au kwa njia ya kuchochea suluhisho. Baadhi ya joto la mkono, kama vile moja iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 11.17, hutumia faida ya tabia hii.

Kielelezo 11.17 Hii joto mkono hutoa joto wakati acetate sodiamu katika ufumbuzi supersaturated precipitates. Upepo wa solute umeanzishwa na mshtuko wa mitambo unaozalishwa wakati disk ya chuma rahisi ndani ya suluhisho ni “clicked.” (mikopo: mabadiliko ya kazi na “Velela” /Wikimedia Commons)

Unganisha na Kujifunza

Video hii inaonyesha mchakato crystallization kutokea katika mkono joto.